从有机废弃物堆肥到稳定泡沫：通过调节pH值和钙离子的协同作用来改变蛋白质的界面行为

《Journal of Environmental Sciences》：From organic waste compost to stable foams: pH-shifting and calcium ion synergy modulating protein interfacial behavior

本研究通过pH调节与钙离子协同作用，将有机废物堆肥蛋白转化为高性能发泡剂。实验表明，协同处理使发泡容量FC>480%，发泡稳定性FS达85.02%，显著优于单独处理。分子机制显示，钙离子与蛋白质羧基/氨基结合，促使α-螺旋含量增加32%，同时pH调节增强界面吸附，形成弹性薄膜，抑制气泡合并。该成果为有机废弃物高值化利用提供了理论依据和技术路径。

　　

钱胜|范金红|董斌|徐祖欣

中国上海同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源再利用国家重点实验室，邮编200092

摘要

基于蛋白质的发泡剂具有出色的发泡能力，并在工业上具有广泛的应用前景，但其高昂的生产成本促使人们寻求更具成本效益和可持续性的替代品。本研究提出了一种新的协同策略，通过改变pH值和添加钙离子，将有机废弃物堆肥蛋白（CP）转化为高性能发泡剂。该方法利用pH值驱动的构象变化，暴露出钙离子的结合位点，从而实现有针对性的界面强化。所得CP的发泡能力（FC）非常出色（>480%）。未经处理的CP的泡沫稳定性（FS）较低（58.86%），而单独添加0.1 mol/L的Ca²⁺可将FS提高到81.31%，单独改变pH值可达到70.21%。双重处理协同作用使FS达到85.02%，同时完全保持了FC。先进的表征揭示了两种机制：（1）钙离子在气泡表面的特异性界面分布（SEM-EDS显示钙离子富集度为21.67%，而对照组为5.39%）；（2）蛋白质重构，Ca²⁺与羧基/氨基团结合，使CP的二级结构更加紧密，α-螺旋含量从5.46%增加到6.96%，α-螺旋/(β-折叠+无规卷曲)比例增加了32%。关键的是，pH值的变化进一步增强了蛋白质在空气-水界面的吸附能力（从12.2%增加到26.06%），形成了抗聚结的粘弹性薄膜。分子层面的结构变化与界面钙-蛋白质复合物之间的协同作用是FS显著提高的原因。本研究为从有机废弃物堆肥蛋白中生产低成本、环保型发泡剂提供了理论基础和技术途径，从而促进了其高价值利用。

引言

作为一类具有高表面活性的表面活性剂，发泡剂在建筑、制药和食品等行业中有广泛的应用（Li等人，2025年）。常用的物理发泡剂可分为松香树脂基（Dong等人，2024年；Yang等人，2024年）、合成表面活性剂基（Maglad等人，2024年；Singh和Sharma，2024年）、蛋白质基（Golaszewska等人，2025年；Yoon等人，2025年）以及复合发泡剂（He等人，2023年；Song等人，2022年）。松香树脂基发泡剂具有优异的发泡性能、热稳定性和中等压缩强度（Hsieh和Chen，2020年）。然而，由于其生产过程的复杂性，其应用受到限制。合成表面活性剂发泡剂包括阴离子型、阳离子型和非离子型，其中阴离子型最为常见。尽管泡沫稳定性较差，但由于制造工艺简单且成本低廉，它们仍然是最常用的合成发泡剂之一（Hashim和Tantray，2021年）。复合发泡剂的应用常常受到其制备方法复杂性的限制。蛋白质基发泡剂通常来源于动物、植物或污泥，形成的泡沫具有出色的界面弹性和稳定性以及天然的生物相容性（Hu等人，2025年）。然而，由于其相对较高的生产成本，蛋白质基发泡剂的广泛应用受到阻碍，因此迫切需要开发来自可持续来源的经济高效型蛋白质发泡剂。

全球人口的快速增长、城市扩张和经济进步共同导致了有机废弃物的显著增加。根据联合国粮食及农业组织的数据，全球每年产生超过13亿吨有机废物，其中中国每年产生超过3000万吨（Wang等人，2016b年）。这些废物通常被作为垃圾丢弃，或者少量被农民用作肥料（Pandey等人，2025年）。大量的有机废物带来了重大的环境和经济挑战。有机废物是蛋白质的丰富来源，含有大量的生物活性化合物。Zhang等人（2024a年）发现，从学校食堂收集的有机废物中的蛋白质含量在16.98%到28.56%之间。Mykolenko等人（2024年）从有机废物中的苋菜籽中回收了球蛋白组分，提取的蛋白质含量约为25.7%。热碱预处理已被证明是一种有效的蛋白质提取方法。Yan等人（2022年）报告称，碱热法从污泥中提取的蛋白质总量约为800 mg/g VSS，这比酶水解法高出约2.3倍。同样，Liu等人（2008年）表明，热碱预处理可使蛋白质浓度提高约61%，达到7.9 g/L。虽然水热处理能够提取大量蛋白质，但高温高压条件会导致蛋白质变性，从而减小蛋白质分子的聚集程度，限制了其作为发泡剂的应用（Zhao等人，2020b年）。因此，直接提取的蛋白质的发泡性能仍需进一步优化。

最近在蛋白质改性方面的研究发现，改变pH值是一种有效的化学方法，可以改善其功能特性。在远离等电点的极端pH条件下，增强的分子间排斥力会导致蛋白质结构膨胀。随后将样品pH值中和至7时，蛋白质链会重新折叠，形成一种更为灵活的构象，通常称为“熔融球状态”（Jiang等人，2017年；Tang等人，2024年；Yang等人，2021年）。这种展开-折叠过程显著改变了蛋白质的结构和功能特性。Liang等人（2025年）发现，在pH 2下处理大豆蛋白可以选择性地使11S球蛋白变性，显著提高其表面疏水性，从而提高其发泡能力和泡沫稳定性。另一种增强发泡性能的方法是添加钙离子。钙离子通过与带电氨基酸结合，影响表面电荷和蛋白质-蛋白质相互作用，从而改变构象结构和物理化学性质，进而影响发泡行为（Maruyama和Seki，2022年；Peyrano等人，2019年；Wang等人，2022年）。然而，也有研究表明，钙离子可能会抑制表面活性剂之间的静电相互作用，改变分子排列，并限制水分子的流动性，从而影响发泡性能（Du等人，2025年）。关于pH值变化和添加钙离子对有机废弃物来源的蛋白质影响的研究仍然有限，这表明需要进一步的研究。

本研究探讨了改变pH值和添加钙离子对有机废弃物堆肥蛋白改性的影响。通过结合这两种方法，我们旨在：（1）揭示分子层面的界面重组机制；（2）建立控制泡沫稳定性的结构-活性关系；（3）开发优化蛋白质功能的方案。关键的创新在于发现了钙离子在界面上的特异性分布和pH值诱导的蛋白质重构，这些机制共同使得低价值的有机废物转化为高性能、环保型发泡剂。这项工作为可持续废物利用提供了理论和实践解决方案。

材料

有机废弃物堆肥来自中国上海的同济大学西餐厅。HCl、NaOH和CaCl₂从中国上海的Aladdin公司购买。所有用于分析的化学品均为分析级。

从有机废弃物堆肥中回收蛋白质并制备不同pH值和钙离子浓度的有机废弃物堆肥蛋白

将20克有机废弃物堆肥与100毫升水混合，然后加入NaOH将溶液pH值调整至10。在300转/分钟的转速下搅拌10分钟后，将混合物转移到一个带有不锈钢外层的150毫升聚四氟乙烯（PTFE）容器中

CP的发泡性能和气泡形态

不同处理对CP的发泡能力（FC）和泡沫稳定性（FS）的影响如图1a和b所示。CP在不同pH值和钙离子浓度下均表现出优异的FC（>480%），表明它们具有很好的发泡潜力。虽然添加钙离子和改变pH值对FC的影响较小，但对FS有显著影响。未经处理的CP的FS较低（58.86%）。添加钙离子（0-0.1 mol/L Ca²⁺后，FS逐渐增加

有机废弃物衍生蛋白质发泡剂面临的挑战

通过各种改性策略，将废弃物衍生的蛋白质转化为商业发泡剂在实验室验证中显示出良好的发泡特性。然而，其在工业规模的应用面临多个挑战。

主要挑战在于原料的复杂性和成分的多样性。来自不同季节、地区和来源的有机废弃物（如食物废弃物和农业残余物）在成分上存在显著差异

结论

本研究证明，通过改变pH值和添加钙离子的协同作用，可以通过多方面的机制提高堆肥衍生蛋白质的FS。在分子层面，钙离子与羧基和氨基团的结合导致结构紧凑，CD光谱显示α-螺旋含量增加（从5.46%增加到6.96%），α-螺旋/(β-折叠+无规卷曲)比例也有所提高（从0.0703增加到0.0924）。FTIR分析证实了Ca²⁺与蛋白质功能基团的结合

作者贡献声明

钱胜：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，验证，监督，资源协调。范金红：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，方法学研究，实验设计。董斌：监督，资源协调，方法学研究，实验设计，资金筹集。徐祖欣：实验设计，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号U2340214）和云南省科技厅科技计划项目（项目编号202505AT350002）的支持。